Основные схемы включения транзисторов

База транзистора обычного типа, работающего в усилителе или генераторе сигналов, выполняет функции управляющей сетки, эмит­тер – функции катода и коллектор – анода электронной лампы. Вместе с тем режим работы транзистора существенно отличается от режима электронной лампы: она может работать без тока в цепи управляющей сетки, причем для большинства ламповых уси­лительных схем этот ток вреден, а транзисторы работоспособны только при условии, что в цепи базы или иного управляющего элект­рода течет ток. Величина тока базы маломощных транзисторов обыч­но порядка сотых или десятых долей миллиампера, она достигает нескольких миллиампер только при их использовании в оконечных усилительных каскадах и в переключающих устройствах. Токи базы мощных транзисторов составляют 1–2 А.

Исключение составляют полевые или канальные транзисторы. Токи их управляющих электродов (затворов) ничтожно малы, а по­левые транзисторы с изолированными затворами работают вообще без токов в цепи этих электродов, т. е. их можно считать аналога­ми электронных ламп.

Коллектор обычного транзистора структуры р-п-р (сток полево­го транзистора с каналом р типа) должен получать от источника питания отрицательный потенциал по отношению к эмиттеру и базе (в полевом транзисторе по отношению к истоку); в транзисторе структуры п-р-п или полевом транзисторе с каналом п типа поляр­ность включения источника питания обратная. Неправильное под­ключение источника питания недопустимо, так как может привести к повреждению транзистора.

Полярность напряжения между другими электродами транзи­стора зависит от схемы и режима, в которых он работает.

Каскад усиления на обычном транзисторе может быть выпол­нен: а) по схеме с общим эмиттером (ОЭ), б) по схеме с общей базой (ОБ), в) по схеме с общим коллектором (ОК). Эти термины указывают, какой из электродов транзистора в данной схеме общий для входного и выходного сигналов. Заземлен или соединен с кор­пусом (шасси) аппарата может быть любой из полюсов источника питания; чаще соединяют с корпусом положительный полюс.

Схема с общим эмиттером (рис. 3.1, табл. 3.1) имеет наибольшее распространение в радио- и электронной аппаратуре. Входной сиг­нал поступает на выводы базы и эмиттера. Источник питания цепи коллектора Б_к и последовательно соединенный с ним резистор R_к или катушка индуктивности L_к, на которых получается усиленный сигнал, включены между коллектором и эмиттером. Смещение на базу от отдельной батареи Б_б (рис. 3.1 ,а и б) применяют редко; удобнее получать смешение на базу от единого источника питания при помощи делителя напряжения из резисторов R_см, R_б (рис. 3.1, в и г) либо с помощью резистора R_см (рис. 3.1, д, e). Так как в послед­них двух схемах вывод базы соединен через резистор R_см с выводом коллектора, изменение напряжения на коллекторе ведет к измене­нию напряжения базы, т. е. получается отрицательная обратная связь, снижающая усиление каскада. Подобный же способ включения резистора R_см применяют и в схемах с автотрансформаторной связью на входе и на выходе каскада.

Конденсатор С_э можно включать между эмиттером и любым из полюсов источника питания, соблюдая при этом полярность. Необходимо отметить следующее: если в цепи эмиттера имеется резистор R_э (рис. 3.1, в и г), то транзистор можно считать включенным по схеме с ОЭ лишь при условии, что общее сопротивление цепи, состоящей из этого резистора и конденсатора С_э, мало по сравнению с сопротивлением нагрузки цепи коллектора при самой низкой частоте, имеющейся в составе сигнала.

Если конденсатора С_э в схеме не будет, то входное сопротивление каскада возра­стет.

Возможны комбинации схем по рис. 3.1: например, сиг­нал может поступать в цепь базы (или эмиттера) через трансформатор, в то время как в цепи коллектора ис­пользуется резистивно-емкостная связь и т. п.

Полевые транзисторы включают преимущественно по схеме с общим стоком, кото­рая по начертанию аналогич­на схеме с ОЭ.

 

 

Схема с общей базой ис­пользуется в каскадах усиления ВЧ и ПЧ с трансформаторными связями (рис. 3.2). Входной сигнал, как и в схеме с ОЭ, подводится к выводам базы и эмиттера, но источник питания цепи коллектора и катушка L_K включены между коллектором и базой. Схема со смещением коллектора и эмиттера от двух отдельных источников питания Б_э и Б_к (рис. 3.2, а) применяется редко. Наибольшее рас­пространение имеет схема по рис. 2, б, где смещение на электроды транзистора подано от общего источника питания Б_п с применени­ем делителя напряжения из резисторов R_см и R_б. Конденсатор С_б можно включать параллельно любому из этих резисторов. При этом общее сопротивление цепи из конденсатора С_б и включенного параллельно ему резистора должно быть значительно меньше соп­ротивления нагрузки цепи коллектора при самой низкой частоте, входящей в состав сигнала.

Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель). Вход­ной сигнал подводится к базе непосредственно, а к коллектору – через источник питания Б_п (рис. 3.3). Нагрузочный резистор R_э вклю­чен между эмиттером и положительным полюсом источника пи­тания. Смещение на базу подается через резистор R_cм.

 

Таблица 3.1.

Сравнение параметров каскадов на транзисторах, включенных по различным схемам (на низких частотах)

Параметры	Схема с общим эмиттером	Схема с общей базой	Схема с общим колектором
Входное сопротивление	Несколько сотен Ом или несколько килоОм	Несколько десятков Ом (приблизительно в раз меньше, чем в схеме с ОЭ)	Несколько десятков или сотен килоОм (приблизительно раз больше сопротивления нагрузки каскада)*
Выходное сопротивление	Несколько десятков килоОм	Несколько сотен килоОм (приблизительно в раз больше, чем в схеме с ОЭ)	Несколько десятков или сотен килоОм (приблизительно раз меньше сопротивления нагрузки каскада)**
Возможный коэффициент усиления по току	10 – 200	Несколько меньше единицы	10 – 200
Возможный коэффициент усиления по напряжению ***	От нескольких десятков до нескольких тысяч	От нескольких десятков до нескольких тысяч	Несколько меньше единицы

* Для первого или промежуточного каскада усилителя в сопротивление нагрузки входит входное сопротивление последующего каскада

** В многокаскадном усилителе для каждого из каскадов, кроме первого, источником сигнала является предыдущий каскад, а сопротивлением источника сигнала – выходное сопротивление предыдущего каскада.

*** Определяется как отношение напряжения сигнала, поступающего в цепь входного электрода транзистора, к напряжению сигнала в цепи его выходного электрода.

Двухтактные каскады. В двухтактном каскаде работают два транзистора (или большее четное количество), которые могут быть включены по любой из упомянутых выше схем (ОЭ, ОБ или ОК). По отношению к источнику питания транзисторы могут быть вклю­чены параллельно или последовательно. В последнем случае выход­ной трансформатор не является обязательной деталью схемы. На рис. 3.4 показаны наиболее распространенные схемы двухтактных транзисторных каскадов.

Резисторы R_cм, R_б и R_э в схемах на рис. 3.4 имеют такое же назначение, как и одноименные резисторы на рис. 3.4, однако в двух­тактных схемах резисторы R_э в цепях эмиттеров конденсаторами шунтировать не нужно.

Переменное напряжение сигнала поступает на базы транзисто­ров Т ₁и Т ₂в противофазе, поэтому когда коллекторный ток одного из них увеличивается, коллекторный ток другого уменьшается.

Половины вторичной обмотки II_a и II_б трансформатора Тр₁ в схемах на рис. 3.4, в и г не должны иметь между собой непосредст­венного электрического соединения. В этих двух схемах смещение на базы транзисторов подается от общего источника питания при помощи делителя напряжения из четырех резисторов . Через нагрузку z_н, а в схеме на рис. 3.4, г и через конденсаторы и проходит переменный ток с частотой сигнала, в каждый момент времени равный разности коллекторных токов транзисторов T ₁ и Т ₂. Вместе с тем эти конденсаторы преграждают путь постоян­ному току через громкоговоритель.

 

2. Режимы работы транзисторов в схемах

Режим А. На входной электрод транзистора подано смещение такого знака и величины, что при действии входного сигнала токи в цепях всех его электродов изменяются плавно и отсечки тока не происходит (рис. 3.5). Форма кривой тока в цепи коллектора не отличается (или мало отличается) от формы кривой входного сигнала, что является условием усиления без нелинейных искажений (с малыми нелинейными искажениями). Этот режим используется в однотактных и двухтактных каскадах усиления ВЧ, ПЧ и НЧ радиоаппаратуры (табл. 3.2 и 3.3).

Режим В. Смешение на входной электрод не подается (или имеет малую величину), вследствие чего в отсутствие входного сигнала ток в цепи коллектора близок по величине к нулю – соот­ветствует обратному току коллектора или начальному току транзи­стора в зависимости от схемы его включения.

При поступлении входного сигнала в цепи коллектора возникают импульсы тока только во время «отпирающих» полупериодов сигнала, т. е. полупериодов одного знака; полупериоды противопо­ложного знака «отсекаются» (рис. 3.5). При синусоидальном входном сигнале кривая коллекторного тока имеет форму синусоидальных импульсов, длительность каждого из которых равна половине пе­риода колебания (Т /2). В течение вторых половин периодов через транзистор течет ток очень малой величины (I _к.з).

Режим АВ. На входной электрод транзистора, работающего в этом режиме, подается смещение такой величины, при которой ток коллектора в отсутствие сигнала больше, чем в режиме В, но меньше, чем в режиме А. Вследствие этого при малых амплитудах тока сигнала транзистор работает в режиме А (штриховая сину­соида на рис. 3.5), а при больших амплитудах переходит в режим В, т. е. работает с отсечкой коллекторного тока, причем длительность отсечки меньше половины периода. Такой режим применяют преи­мущественно в двухтактных оконечных каскадах усилителей НЧ.

Режим С. Отличается от режима В тем, что отсечка коллек­торного тока имеет длительность более половины периода. Исполь­зуется этот режим в генераторах колебаний.

Режим переключения (ключевой режим, режим D). Так назы­вают режим транзистора, когда его применяют в качестве переклю­чателя («ключа») – элемента схемы, замыкающего и размыкающего какую-либо электрическую цепь под действием внешних управляю­щих сигналов. При этом транзистор обычно включают по схеме с ОЭ, т. е. управляющим электродом является база.

В этом режиме транзисторы используются в устройствах авто­матического управления.

Работая в режиме переключения, транзистор может находиться в одном из следующих состояний:

1. «Отперт» («включен») – в цепи коллектора течет значитель­ный ток, напряжение между коллектором и эмиттером невелико (состояние насыщения), большая часть напряжения источника пита­ния падает на нагрузке, включенной в цепь коллектора.

2. «Заперт» («выключен» – состояние отсечки тока) вследствие действия «запирающего» смещения на входном электроде; ток в Цепи коллектора при этом очень мал по сравнению с током в «от­пертом» транзисторе, напряжение коллектор – эмиттер почти равно напряжению источника питания, напряжение на нагрузке близко к нулю.

Когда транзистор работает в режиме переключения, переходные процессы в нем играют существенно бóльшую роль, чем в случае усиления НЧ сигналов, образуемых непрерывно и плавно изменяю­щимися напряжениями (токами).

 

Таблица 3.2

Расчет выходных цепей однотактных каскадов в режиме А на низких частотах на заданную Р _вых

Параметры	Формулы	Номер формулы
U к,э. макс не менее	2,2 U п	3.1
I к, макс не менее		3.2
Р т, макс не менее		3.3
zк		3.4
I к		3.5
n		3.6
η;к менее	0,5 η;т	3.7

 

 

Таблица 3.3

Расчет выходных цепей двухтактных каскадов на низких частотах на заданную мощность Р_вых

Параметры	Формулы для каскадов с параллельным питанием транзисторов	Номер формулы
Режим А	Режим В, АВ
U к,э. макс не менее	2,2 U п	2,2 U п	3.8а
I к, макс не менее			3.9а *
Р т, макс не менее			3.10а
I к.к			3.11а **
z к.к			3.12а
η;к не менее	0,5 η;к	0,78 m η;т	3.13а ***
n			3.14а
	Формулы для каскадов с последовательным питанием транзисторов
U к,э. макс не менее	1,1 U п	1,1 U п	3.8б
I к, макс не менее			3.9б *
Р т, макс не менее		0,25 Р вых	3.10б
I к.к			3.11б **
z н			3.12
η;к не менее	0,5	0,78 m	3.13б

* При расчете каскада в режиме В или АВ можно принимать величину I _{к, макс} допускаемую ТУ для импульсного режима.

** При работе в режиме В или АВ — при максимальной выходной мощ­ности.

*** т — отношение величины тока или напряжения на нагрузке к величине тока или напряжения на нагрузке при максимальной отдаваемой мощности.

 

Отпирание транзистора. Если фронт «отпирающего» сигнала на управляющем электроде будет идеально крутым, то фронт выходного сигнала будет более-менее пологим, так как на­растание тока коллектора отстает от изменения управляющего тока. Это явление определяется тем, что проникающие одновременно из эмиттера в область базы неосновные носители тока (дырки в тран­зисторе структуры p-n-р) из-за различия в скоростях их диффузион­ного движения достигают коллектора в разное время, часть их какбы запаздывает.

Процессы при запирании транзистора. После пре­кращения «отпирающего» сигнала (и даже если немедленно вслед за этим на управляющий электрод поступит запирающий сигнал обратной полярности) ток в цепи коллектора мгновенно, не прекращается; при этом процесс «запирания» транзистора существенно длительнее процесса его «отпирания». Последнее объясняется сле­дующими причинами. Когда транзистор находится в состоянии «от­перт», т. е. величина напряжения на его коллекторном переходе близка к нулю, коллектор не только теряет способность втягивать из области базы инжектированные эмиттером неосновные носители тока, но и сам инжектирует в область базы неосновные носители. В результате в области базы транзистора, находящегося в состоянии насыщения, происходит накапливание неосновных носителей. После прекращения действия отпирающего сигнала (или при поступлении на управляющий электрод запирающего сигнала) требуется некото­рое время для того, чтобы накопившиеся в области базы неосновные носители рассосались настолько, чтобы на коллекторном переходе восстановилось отрицательное напряжение. Только после этого не­основные носители тока начнут двигаться к коллектору, и транзи­стор начнет переходить в состояние «заперт».

Время рассасывания неосновных носителей в сплавных транзи­сторах малой мощности примерно 1 мксек, а в мощных транзисто­рах достигает десятков микросекунд. Вследствие различия в скоро­стях диффузионного движения неосновных носителей процесс за­пирания транзистора еще более удлиняется, однако по сравнению со временем рассасывания этим удлинением практически можно пренебречь.

Описанные переходные процессы в транзисторе заканчиваются тем быстрее, чем выше его граничная частота, т. е. чем тоньше область базы.

Рассеиваемая мощность. В течение отрезков времени, когда транзистор переходит из состояния «заперт» в состояние «отперт» и обратно, на его коллекторном переходе кратковременно рассеивается мощность, значительно превышающая по величине мощность, рассеиваемую в состоянии «отперт» (большой ток кол­лектора I _к, но малое напряжение между коллектором и эмиттером врежиме насыщения U _k._h), либо в состоянии «заперт» (относительно большое напряжение на коллекторном переходе, но малый ток I _к._п). Рассеиваемая во время переходных процессов мощность может вы­звать хотя и непродолжительные, но весьма значительные перегревы коллекторного перехода, способные привести к повреждению тран­зистора. Это обстоятельство учитывают при разработке транзисто­ров, предназначаемых для работы в режиме переключения, а также переключающих схем на транзисторах.

Импульсный режим. Онхарактеризуется тем, что ток в цепи коллектора транзистора увеличивается или уменьшается от действия периодической последовательности импульсов, поступаю­щих в цепь его управляющего электрода. Чаще всего транзистор при этом включают по схеме с ОЭ, и, следовательно, управляющим электродом является база. При этом в цепи коллектора получа­ются импульсы тока такой же периодической последовательности, как и в цепи управляющего электрода (рис. 3. 6, а – з). По сравнению с входными (управляющими) импульсы в цепи коллектора имеют более пологий фронт и более длительный спад; это вызывается раз­личием в скоростях диффузионного движения неосновных носителей тока в транзисторе. Если от действия управляющего им­пульса транзистор входит в со­стояние насыщения, то время спада импульса в коллектор­ной цепи еще больше удлиняется вследствие накопления не­ основных носителей тока в об­ласти базы; при этом во время переходных процессов рассеи­ваемая на коллекторном переходе мощность может дости­гать опасной величины (как и в случае режима переключения). При наличии нагрузки индуктивного характера импульс дополнительно искажается вследствие действия э. д. с. самоиндукции.

Формулы для расчета коллекторных цепей транзистор­ных каскадов, работающих в импульсных режимах, приведены в таблице 3.4. Этими же формулами можно пользоваться и для рас­чета каскадов с несинусоидальными токами в цепях электродов транзисторов (рис. 3.6, и, к); впоследнем случае принимают τ_и = Т

 

 

Таблица 3.4